JPWO2014103491A1 - リフマグ付き作業機械 - Google Patents

Abstract

リフマグ付き作業機械は、エンジン（１１）と、エンジンに連結されたメインポンプ（１４）と、メインポンプ（１４）からの圧油により駆動される負荷と、エンジン（１１）の駆動力に基づいて所定回転数に制御されるリフマグ用発電機（４４）と、リフマグ用発電機（４４）からの電力が供給され、電磁吸着力を発生する電磁石を含むリフティングマグネット（６）と、電磁石に印加する電圧を制御する駆動制御部（インバータ４６）とを有する。駆動制御部は、前記リフティングマグネットを起動するスイッチがオン操作された場合に、前記電磁石に第１の電圧を印加し、その後、前記電磁石に印加する電圧を第１の電圧より低い第２の電圧に切り換える。

Description

本発明は、リフティングマグネットを用いて作業を行う作業機械に関する。

鋼材や鉄鋼物を運搬したり移動したりするための作業機械として、作業アタッチメントとしてのリフティングマグネット（一般的に「リフマグ」と称する）が設けられた作業機械が用いられる。このような作業機械を、「リフマグ付き作業機械」あるいは「リフマグ機」と称する。

リフティングマグネット（リフマグ）は、電磁力により鋼材や鉄鋼物を吸着して保持する電磁石である。したがって、リフマグで作業するときには、リフマグに電流を供給して励磁し、電磁吸着力を発生させる必要がある。

例えば、作業機械に装備されたリフマグを駆動するための発電機用油圧駆動装置が提案されている。この発電機用油圧駆動装置は、作業機械に搭載されたエンジンによって駆動され、作業機械本体の油圧アクチュエータを駆動するメインポンプと、リフマグ用発電機を駆動するための油圧ポンプ及び可変容量型油圧モータとを有する。発電機用油圧駆動装置は、比較的高負荷作業時に高回転数でエンジンを運転するモードと、燃費を重視して低回転数でエンジンを運転するモードの２種類に設定する設定手段と、この設定手段による各モードの設定に応じて前記可変容量型油圧モータの傾転角を変えて該可変容量型油圧モータの回転が一定となるように制御する制御装置とを備える。上述の構成によれば、エンジン回転数が変化した場合でも、発電機の回転数を一定に維持することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３４９５０３号公報（第２〜４頁、図１）。

リフマグ（電磁石）を励磁するときには、発電機で発電した電力をリフマグに供給することとなる。リフマグ用発電機から出力される電圧をリフマグに印加することで、リフマグに電流が流れ、リフマグが励磁される。これにより、リフマグは電磁吸着力を発生する。

リフマグには、電流が流れることによる発熱を考慮して、継続的に印加することのできる電圧が定められている。そこで、リフマグ用発電機としては、当該電圧か、あるいはそれ以下の電圧を発生するような発電機が用いられている。

ここで、リフマグ（電磁石）は大きなインダクタンスを有しており、リフマグの励磁を開始してから（すなわち、リフマグに電圧を印加し始めてから）、リフマグに流れる電流が所定の大きさになるまでに、ある程度の時間がかかる。すなわち、運転者がリフマグを駆動するスイッチを入れてから、実際にリフマグが所定の電磁吸着力を発揮するまでに、ある程度の時間が必要である。このため、運転者は、リフマグの反応が悪いと感じたり、リフマグのパワーが足りないと感じたりすることがある。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、リフマグの駆動開始時に大きな励磁電流を供給して電磁吸着力を迅速に高め、運転者にリフマグの反応が悪いと感じさせたり、パワーが足りないと感じさせたりすることによる操作性に対する不満を抱かせないことを目的とする。

本発明の一実施態様によれば、エンジンと、該エンジンに連結された油圧ポンプと、該油圧ポンプからの圧油により駆動される負荷と、エンジンの駆動力に基づいて所定回転数に制御される発電機と、該発電機からの電力が供給され、電磁吸着力を発生する電磁石を含むリフティングマグネットと該電磁石に印加する電圧を制御する駆動制御部とを有し、前記駆動制御部は、前記リフティングマグネットを起動するスイッチがオン操作された場合に、前記電磁石に第１の電圧を印加し、その後、前記電磁石に印加する電圧を第１の電圧より低い第２の電圧に切り換えるリフマグ付き作業機械が提供される。

上述の実施形態によれば、リフマグの駆動初期に、リフマグに大きな電圧を印加して大きな電流を流すことができるので、リフマグの電磁吸着力を迅速に大きくすることができ、操作性に対する不満を抱かせないようにすることが可能なリフマグ付き作業機械を提供することができる。

本発明の一実施形態によるリフマグ付きショベルの側面図である。 リフマグ付きショベルの駆動系の構成の一例を示すブロック図である。 リフマグ用電源回路（インバータ）の構成例を示す回路図である。 メインポンプの圧力流量特性（Ｐ−Ｑ線図）を示すグラフである。 発電機回転数と出力電圧との関係を示すグラフである。 リフマグの定格電圧より高い電圧を段階的に印加するときの電圧の変化を示すグラフである。 図６に示すような電圧がリフマグに印加された際に、リフマグに流れる励磁電流の変化を示すグラフである。 リフマグ付きショベルの駆動系の構成の他の例を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態によるリフマグ付き作業機械について説明する。

図１は、リフマグ付き作業機械の一例であるリフマグ付きショベルの側面図である。リフマグ付きショベルは、ショベルのアームの先端に取り付けるアタッチメントとして、バケットの代りにリフティングマグネット（以下、「リフマグ」と称する）を取り付けたものである。

図１に示すリフマグ付きショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びリフティングマグネット（リフマグ）６、及び、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びリフマグシリンダ９が搭載される。上部旋回体３には、運転室を有するキャビン１０及びエンジンや電動機を含む動力源が搭載される。

図２はリフマグ付きショベルの駆動系の構成の一例を示すブロック図である。ショベルに搭載されたエンジン１１の駆動軸１１ａに、ショベルにおける作業装置としての各シリンダ７〜９等を駆動するための油圧ポンプであるメインポンプ１４と発電機用油圧ポンプ４０とが共通に取付けられている。メインポンプ１４が発生する油圧はコントロールバルブ１７に供給され、各シリンダ７〜９等に分配される。

メインポンプ１４には、作動油の吐出流量を制御するためのレギュレータ１４Ａが設けられている。レギュレータ１４Ａは、例えば、メインポンプ１４の吐出圧、制御部３０からの制御信号に応じてメインポンプ１４の斜板傾転角を調整することによって、メインポンプ１４の吐出流量を制御する。

発電機用油圧ポンプ４０から吐出される作動油は、油圧モータ４２に供給される。油圧モータ４２はリフマグ用発電機４４に機械的に連結されている。リフマグ用発電機４４は、油圧モータ４２の出力で駆動され、交流電力を発電する。リフマグ用発電機４４の出力端子は、駆動制御部として機能するインバータ４６を介してリフティングマグネット（リフマグ）６に接続されている。インバータ４６は、リフマグ用発電機４４が出力する交流電力をリフマグ励磁用の直流電力に変換する整流機能を有する。リフマグに印加される電圧はインバータ４６により制御される。

駆動制御部としてのインバータ４６は、リフマグ用発電機４４が出力する交流電力を直流電力に変換し、リフマグに印加される電圧を制御可能であれば、任意の電源回路として構成されてよい。ここで、インバータ４６の構成例について説明をする。

図３は、リフマグ用電源回路（インバータ４６）の構成の一例を示す回路図である。インバータ４６は、直流変換部３００と、Ｈブリッジ回路部４００と、消磁用エネルギー吸収部５００とを備え、リフマグ６の励磁及び消磁を行う。

直流変換部３００は、リフマグ用発電機４４から供給される三相交流電力（交流電圧ＶＡＣ１〜ＶＡＣ３）を直流電力（直流電圧ＶＤＣ）に変換する整流器である。なお、本実施形態において、直流電圧ＶＤＣは、リフマグ用発電機４４の出力電圧と同等である。直流変換部３００は、正側出力端３００ａ及び負側出力端３００ｂを有し、生成した直流電圧ＶＤＣを正側出力端３００ａと負側出力端３００ｂとの間に提供する。なお、リフマグ用発電機４４が単相交流発電機である場合、直流変換部３００は、単相交流電力を直流電力に変換する構成であってよい。また、リフマグ用発電機４４が直流発電機である場合に、該直流変換部３００は設けられてもよい。

直流変換部３００は、６個のダイオード３１０ａ〜３１０ｆを含むブリッジ回路（整流器）により構成され、三相全波整流を行う。具体的には、ダイオード３１０ａ及び３１０ｂが直列接続され、ダイオード３１０ｃ及び３１０ｄが直列接続され、ダイオード３１０ｅ及び３１０ｆが直列接続される。また、ダイオード３１０ａ及び３１０ｂからなる組と、ダイオード３１０ｃ及び３１０ｄからなる組と、ダイオード３１０ｅ及び３１０ｆからなる組とは、互いに並列接続される。そして、これらのダイオードの組のカソード側の一端は、正側出力端３００ａに電気的に接続され、アノード側の一端は、負側出力端３００ｂに電気的に接続される。

また、ダイオード３１０ａとダイオード３１０ｂとの間には、リフマグ用発電機４４における一相の端子から延びる交流電源ライン４６ａが電気的に接続される。また、ダイオード３１０ｃとダイオード３１０ｄとの間には、リフマグ用発電機４４における他の一相の端子から延びる交流電源ライン４６ｂが電気的に接続される。また、ダイオード３１０ｅとダイオード３１０ｆとの間には、リフマグ用発電機４４における更に他の一相の端子から延びる交流電源ライン４６ｃが電気的に接続される。

なお、直流変換部３００は、（三相）交流電力を直流電力に変換できるものであれば、任意に構成することが可能である。例えば、サイリスタを用いた純ブリッジ回路や、ダイオード及びサイリスタを用いた混合ブリッジ回路等によって構成されてもよい。直流変換部３００が純ブリッジ回路や混合ブリッジ回路によって構成される場合、サイリスタは、位相制御回路（不図示）により所定の制御角で位相制御される。

Ｈブリッジ回路部４００は、リフマグ６の励磁及び消磁を制御する。Ｈブリッジ回路部４００は、第１〜第４のスイッチング素子４１０ａ〜４１０ｄと、該第１〜第４のスイッチング素子４１０ａ〜４１０ｄそれぞれのドレイン−ソース間に電気的に接続された第１〜第４の転流用ダイオード４２０ａ〜４２０ｄとを含むＨブリッジ回路により構成される。

具体的には、第１のスイッチング素子４１０ａの一端は直流変換部３００の正側出力端３００ａに接続され、第１のスイッチング素子４１０ａの他端は、第２のスイッチング素子４１０ｂの一端に接続される。第２のスイッチング素子４１０ｂの他端は、直流変換部３００の負側出力端３００ｂに接続される。一方、第３のスイッチング素子４１０ｃの一端は、直流変換部３００の正側出力端３００ａに接続され、第３のスイッチング素子４１０ｃの他端は、第４のスイッチング素子４１０ｄの一端に接続される。第４のスイッチング素子４１０ｄの他端は、直流変換部３００の負側出力端３００ｂに接続される。第１のスイッチング素子４１０ａと第２のスイッチング素子４１０ｂとの間には、リフマグ６の一端から延びる接続ラインが接続される。また、第３のスイッチング素子４１０ｃと第４のスイッチング素子４１０ｄとの間には、リフマグ６の他端から延びる接続ラインが接続される。

また、第１、第２、第４の転流用ダイオード４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｄのアノードは、それぞれ第１、第２、第４のスイッチング素子４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｄの他端に接続される。また、第１、第２、第４の転流用ダイオード４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｄのカソードは、それぞれ第１、第２、第４のスイッチング素子４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｄの一端に接続される。

また、第３の転流用ダイオード４２０ｃのアノードは、第３のスイッチング素子４１０ｃの他端に接続され、カソードは、抵抗素子４６０ｅを介して第３のスイッチング素子４１０ｃの一端（直流変換部３００の正側出力端３００ａ）に接続される。これにより、リフマグ６の消磁を行う際にリフマグ６に蓄積されたエネルギーの一部を抵抗素子４６０ｅで消費することが可能となるため、後述する容量素子５１０の容量を大きくする必要がなく、インバータ４６を小型化できる。

消磁用エネルギー吸収部５００は、リフマグ６の消磁を行う際にリフマグ６に蓄積されたエネルギーを吸収するために設けられる。消磁用エネルギー吸収部５００は、直流変換部３００の正側出力端３００ａと負側出力端３００ｂとの間に接続され、容量素子５１０を含む。なお、消磁用エネルギー吸収部５００としては、リフマグ６の消磁を行う際にリフマグ６に蓄積されたエネルギーを吸収することが可能であれば、任意の回路構成が適用可能である。

次に、リフマグ用電源回路（インバータ４６）の動作について簡単に説明をする。

リフマグ６を励磁させる場合、第１のスイッチング素子４１０ａ及び第４のスイッチング素子４１０ｄを導通させる。これにより、リフマグ６（の両端）には、直流変換部３００から出力される直流電圧ＶＤＣが印加される。そして、直流変換部３００の正側出力端３００ａから、第１のスイッチング素子４１０ａ、リフマグ６、及び第４のスイッチング素子４１０ｄを介して、直流変換部３００の負側出力端３００ｂに向かって励磁電流が流れる。本実施形態では、リフマグ６が起動している場合、第１のスイッチング素子４１０ａ及び第４のスイッチング素子４１０ｄを導通させた状態を維持する。このようにして、リフマグ６に電圧を印加して、電流を流すことにより、リフマグ６を励磁し、リフマグ６に鋼材等を吸着することができる。

また、リフマグ６を消磁させる場合、第１のスイッチング素子４１０ａ及び第４のスイッチング素子４１０ｄを非導通とする。これにより、リフマグ６から、第３の転流用ダイオード４２０ｃ、抵抗素子４６０ｅ、容量素子５１０、第２の転流用ダイオード４２０ｂを介して、リフマグ６に戻る経路で消磁電流が流れる。これにより、リフマグ６に蓄積されたエネルギーは、抵抗素子４６０ｅで一部を熱エネルギーとして消費されつつ、容量素子５１０に移乗される。そのため、リフマグ６が消磁され、リフマグ６に吸着されていた鋼材等を解放することができる。

ここで、リフマグ６はヒステリシス特性により残留磁気を有する。そこで、第２のスイッチング素子４１０ｂ及び第３のスイッチング素子４１０ｃを導通させる。これにより、容量素子５１０から、第３のスイッチング素子４１０ｃ、リフマグ６、第２のスイッチング素子４１０ｂを通じて電流が流れる。すなわち、容量素子５１０に蓄積された電荷によって、リフマグ６において消磁電流とは逆向きの電流（残留磁気の消磁電流）が流れる。これにより、リフマグ６の残留磁気が消磁され、吸着していた鋼材等を完全に解放することができる。

次に、リフマグ６に供給する電力を発電する発電回路の動作について説明する。エンジン１１に取付けられた回転センサ１１ｃによりエンジン回転数が検出される。検出されたエンジン回転数を示すエンジン回転数信号が、設定された設定回転数信号とともに制御部３０に入力される。制御部３０は、これらの入力信号に基づいてエンジン回転数を設定された一定回転数に制御するための制御信号を演算する。

制御部３０において演算により生成された制御信号に基づき、燃料噴射ポンプにおける燃料噴射量の制御が行われる。これにより、エンジン回転数は、設定された一定回転数に維持される。したがって、発電機用油圧ポンプ４０及び油圧モータ４２を介してリフマグ用発電機４４が設定された一定回転数で駆動され、リフマグ用発電機４４から所定の大きさの交流電力が出力される。この交流電力がインバータ４６によって直流電力に変換されて、所定の大きさで安定した直流電力がリフマグ６に供給される。

そして、メインポンプ１４から供給される油圧によってブームシリンダ７、アームシリンダ８及びリフマグシリンダ９等の作業装置の油圧アクチュエータを駆動しながら、リフマグ６によって対象物の吸着、運搬等の作業を行うことができる。

上述のリフマグ６を駆動する駆動系において、リフマグ６に印加される電圧に応じてエンジン１１の負荷が変化する。そこで、レギュレータ１４Ａによりメインポンプ１４の吐出量を制御することで、リフマグ６の出力状況に応じて、メインポンプ１４の馬力を制御する。具体的には、リフマグ吸着用スイッチ３２がオン状態になるとリフマグ６へ３２０Ｖの高電圧が印加される。このとき、発電機用油圧ポンプ４０の出力も増大するため、エンジン１１に加わる負荷も増大する。このため、レギュレータ１４Ａでメインポンプ１４の馬力を低減し、エンジン１１の出力をリフマグ６へ多く配分できるようにする。すなわち、リフマグ６を励磁駆動させる励磁駆動系（発電機用油圧ポンプ４０等）と油圧アクチュエータ（ブームシリンダ７、アームシリンダ８、リフマグシリンダ９）を駆動させる油圧駆動系（メインポンプ１４等）とのいずれかを優先的に駆動させるかを選択することができる。その後、リフマグ６に印加する電圧が定格電圧まで低下すると、エンジン１１への負荷も小さくなる。したがって、レギュレータ１４Ａを調整し、メインポンプ１４の馬力を調整することができる。リフマグ６の出力が小さいときには、ブーム４、アーム５等の油圧駆動部の出力を増大することができ、操作性を向上させることができる。

図４はメインポンプ１４の圧力流量特性（Ｐ−Ｑ線図）を示すグラフである。レギュレータ１４Ａにより斜板傾転角を調整することによって、メインポンプ１４の出力（圧力Ｐ×流量Ｑ）を制御することができる。リフマグ６の駆動を開始する際に定格電圧より高い電圧をリフマグ６に印加するときは、メインポンプ１４の出力を、例えば実線Ａで示す低い出力になるようにレギュレータ１４Ａにより斜板傾転角を調整する。リフマグ６の駆動を開始した後で定格電圧を印加するときには、メインポンプ１４の出力を、例えば実線Ｂで示す中程度の出力になるようにレギュレータ１４Ａにより斜板傾転角を調整する。リフマグ６を駆動していないときには、メインポンプ１４の出力を、例えば実線Ｃで示す高い出力になるようにレギュレータ１４Ａにより斜板傾転角を調整する。

ところで、作業機械に搭載されるリフマグ６の大きさは、リフマグ６を取り付ける作業機械の大きさや吸着する対象物の大きさ等の関係により、通常、直径が約１．２〜１．６メートルのものが選択される。リフマグ６の中に配置されている電磁石のサイズも一定の範囲内のサイズが選択される。リフマグ６の中の電磁石のコイル抵抗は、ほぼ一定の範囲で固定された値となっている。このため、リフマグ６へ印加する電圧を変更することで、リフマグ６に流れる電流が変わり、磁束密度も変化する。その結果、リフマグ６が発生する吸着力を変えることができる。

リフマグ６では、長時間、対象物を保持可能な電圧として定格電圧が２００Ｖに設定されている。また、リフマグ６の強励磁時の電圧は、２９０Ｖに設定されている。なお、強励磁時の電圧である２９０Ｖは、リフマグ６の発熱による吸着力の低下を考慮して、継続的にリフマグ６に印加することが可能な最大電圧として設定されてよい。

図５はＩＰＭモータの回転数と出力電圧との関係を示すグラフである。図５において、ＩＰＭモータの出力電圧特性が実線で示され、比較のために従来の誘導発電機からの出力電圧特性が点線で示されている。

誘導発電機は、回転数が１７００ｒｐｍ付近から出力電圧が急激に上昇し、２０００ｒｐｍ付近で出力電圧は定格電圧の２００Ｖとなる。誘導電動発電機の場合、回転数を２０００ｒｐｍ以上に増大させても、出力電圧は飽和状態であり、定格電圧の２００Ｖのままである。

本実施形態では、上述のリフマグ用発電機４４として、ＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）が用いられる。ＩＰＭモータは、発電機として動作するときに、回転数に比例した電圧を出力することができる。ＩＰＭモータをリフマグ用発電機４４として用いることにより、例えばリフマグ６の強励磁時の電圧以上の電圧を出力することができる。すなわち、リフマグ６の強励磁時の電圧である２９０Ｖを越える電圧をリフマグ用発電機４４から出力してリフマグ６に印加することができる。ただし、リフマグ用発電機４４として用いる発電機は、ＩＰＭモータに限られず、２９０Ｖを越えるような高電圧を発生することが可能な、例えば同期式発電機を用いてもよく、回転数に比例した電圧を出力可能な発電機であれば好適である。

本実施形態で使用するＩＰＭモータは、回転数がゼロから大きくなるにつれて、回転数に比例して出力電圧も大きくなる。回転数が２０００ｒｐｍのときには、誘導電動発電機と同様に出力電圧は２００Ｖとなるが、回転数が高くなると出力電圧も比例して大きくなる。回転数が２６００ｒｐｍ付近で、出力電圧は２９０Ｖを超えるようになり、３０００ｒｐｍ付近では、出力電圧は３３０Ｖ程度まで上昇する。

以上のように、リフマグ用発電機４４としてＩＰＭモータのような同期型電動発電機を用い、回転数を２６００ｒｐｍ以上にすれば、出力電圧を２９０Ｖより高い電圧にすることができる。したがって、図５からわかるように、例えば、リフマグ用発電機４４を３０００ｒｐｍで回転させることで、３２０Ｖというように２９０Ｖを超える高い電圧をリフマグ６に印加することができる。

ここで、リフマグ用発電機４４の出力電圧を高くすると、インバータ４６に含まれるスイッチング素子の耐電圧性能が問題となる。すなわち、リフマグ用発電機４４の出力電圧が高くなると、インバータ４６に含まれるスイッチング素子のオフ時における両端電圧が高くなるため、該両端電圧が耐電圧を超えてしまうおそれがある。しなしながら、リフマグ６の起動時（励磁時）において、上述したインバータ４６の構成例（図３）のように、スイッチング素子（第１のスイッチング素子４１０ａ及び第４のスイッチング素子４１０ｄ）を継続してオン状態となるように制御するとよい。これにより、スイッチング素子（第１のスイッチング素子４１０ａ及び第４のスイッチング素子４１０ｄ）に電流が流れている状態を維持することができるので、スイッチング素子の耐電圧性能の問題を回避することができる。従って、後述するような短時間（例えば、２秒間）であれば、スイッチング素子の耐電圧性能から決定されるインバータ４６の定格電圧よりも十分高い電圧をリフマグ６に印加することができる。

リフマグ用発電機４４の駆動は、駆動制御部としてのインバータ４６により制御される。インバータ４６は制御部３０からの制御信号に基づいて、リフマグ６に印加する電圧を調整する。なお、リフマグ用発電機４４の駆動は、制御部３０により制御されてもよい。すなわち、制御部３０が油圧モータ４２、リフマグ用発電機４４、インバータ４６の制御を行い、リフマグ６に印加する電圧を制御してもよい。本実施形態では、リフマグ６を励磁するときに、最初の数秒間（例えば、２秒間）は定格電圧よりも十分高い第１の電圧（例えば、３２０Ｖ）を印加する。最初の印加電圧（第１の電圧）は、定格電圧の１．５倍以上の電圧とすることがより好ましい。そして、次の数秒間（例えば、２秒間）は、第１の電圧より下げた第２の電圧（例えば、２９０Ｖ）を印加し、その後はリフマグ６の定格電圧（例えば、２００Ｖ）を印加する。これにより、リフマグ６に流れる励磁電流の立ち上がりが早くなり、電磁吸着力を迅速に大きくすることができる。

図６は、上述のように定格電圧より高い電圧を段階的に印加するときの電圧の変化を示すグラフである。図７は、図６に示すような電圧がリフマグ６に印加された際に、リフマグ６に流れる励磁電流の変化を示すグラフである。図６において、本実施形態による電圧調整を行なった際の電圧が実線で示され、最初から定格電圧２００Ｖをリフマグ６に印加する場合の電圧が点線で示されている。同様に、図７において、本実施形態による電圧調整を行なった際にリフマグ６に流れる励磁電流が実線で示され、最初から定格電圧２００Ｖをリフマグ６に印加した場合の励磁電流が点線で示されている。

図６に示すように、本実施形態では、リフマグ６を駆動するために運転者がリフマグ６の駆動スイッチ（リフマグ吸着用スイッチ３２）を入れると、駆動制御部（インバータ４６）は、最初の２秒間はリフマグ６の強励磁時の電圧よりも十分高い電圧として３２０Ｖをリフマグ６に印加するよう、３２０Ｖに対応した回転数でリフマグ用発電機４４を回転させる。この間、リフマグ用発電機４４から出力される電圧は制限されていない。そして、駆動制御部は、次の２秒間は、リフマグ６の強励磁時の電圧である２９０Ｖをリフマグ６に印加し、その後はリフマグ６の定格電圧である２００Ｖをリフマグ６に印加する。２９０Ｖ，２００Ｖを印加させている間、駆動制御部としてのインバータ４６は、リフマグ６に印加する電圧を２９０Ｖ，２００Ｖに制限している。このように定格電圧より高い電圧を段階的に印加することで、リフマグ６に流れる励磁電流は図７の実線で示すように立ち上がりが急激となり、およそ３秒後に定格電流となり、そのまま電流は維持される。これにより、リフマグ用発電機４４、インバータ４６の損傷を防止しつつ、吸着力の立ち上がりが速いリフマグ６の制御を実現することができる。一方、従来のように、最初から定格電圧を印加した場合は、定格電流に到達するまでに、約５．５秒が経過する。すなわち、本実施形態によるリフマグ駆動時の電圧調整によれば、従来よりも短時間でリフマグ６に定格電流を流すことができ、リフマグ６の電磁吸着力を迅速に増大させることができる。

ここで、上述のようにリフマグ６に印加する電圧は、リフマグ用発電機４４からの出力電圧である。したがって、リフマグ６に印加する電圧を調整するには、リフマグ用発電機４４の回転数を制御して、最初の２秒間は少なくとも３２０Ｖが出力でき、次の２秒間は少なくとも２９０Ｖが出力できるように回転数を上げておく必要がある。

リフマグ用発電機４４は油圧モータ４２に直結されているので、リフマグ用発電機４４の回転数は油圧モータ４２の回転数に等しい。また、油圧モータ４２は発電機用油圧ポンプ４０から吐出される圧油で駆動されるため、油圧モータ４２の回転数は発電機用油圧ポンプ４０の回転数に比例して変化する。さらに、発電機用油圧ポンプ４０はエンジン１１に直結されているので、発電機用油圧ポンプ４０の回転数はエンジン１１の回転数に等しい。このように、リフマグ用発電機４４の回転数はエンジン１１の回転数に依存していると考えることができる。

一方、エンジン１１には、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、リフマグシリンダ９等の他の作業要素を油圧駆動するためのメインポンプ１４も直結されている。したがって、エンジン１１の回転数は、メインポンプ１４を駆動するための回転数に維持される。このため、従来は、メインポンプ１４と同様にエンジン１１に直結されている発電機用油圧ポンプ４０の回転数は、メインポンプ１４の回転数に等しく、この回転数において発電機用油圧ポンプ４０が回転するとリフマグ用発電機４４の出力電圧（即ち、駆動制御部としてのインバータ４６の出力電圧）がリフマグ６の定格電圧（例えば、２００Ｖ）となるように構成されている。

ここで、本実施形態のように、リフマグ用発電機４４の回転数を上げて定格電圧より高い電圧を発生させるためには、エンジン１１の回転数を上げる必要がある。しかしながら、エンジン１１はメインポンプ１４に機械的に連結しているため、リフマグ６への電力要求のみに基づいてエンジン１１の回転数を変更することはできない。このために、リフマグ用発電機４４の回転数を上げて定格電圧より高い電圧を発生させるために、本実施形態では、従来は１：１に設定されていた油圧モータ４２の回転数と発電機用油圧ポンプ４０の回転数との比率を、油圧モータ４２の回転数のほうが大きくなるように設定する。具体的には、油圧モータ４２の回転数が発電機用油圧ポンプ４０の回転数の少なくとも１．１倍以上（比率としては、１．１：１）となるように設定する。すなわち、リフマグ用発電機４４の回転数がエンジン１１の回転数の少なくとも１．１倍以上となるように設定される。また、発電機用油圧ポンプ４０の回転数は、リフマグ６のコイルの特性から規定される最高電圧に対応した回転数まで上昇させてもよい。なお、本実施形態では、エンジン１１の回転数は一つの予め定められた一定回転数に維持されるように制御された例を示したが、予め定められた一定回転数を複数設けることもできる。例えば、動きを早くしたい場合の高い回転数と、燃費を重視した低い回転数の２つの一定回転数を設定できるようにしてもよい。この場合、燃費を考慮し、かつ動きを鈍くしたい場合には、エンジン１１の駆動時の最低回転数に設定することで、リフマグ用発電機４４から定格電圧を出力するようにしてもよい。

ここで、上述したリフマグ付きショベルの駆動系の構成例（図２）では、発電機用油圧ポンプ４０と油圧モータ４２を介して、エンジン１１の駆動力がリフマグ用発電機４４に伝達され、リフマグ用発電機４４は発電する。しかし、リフマグ用発電機４４は、エンジン１１により直接駆動されて、発電してもよい。以下、エンジン１１により直接駆動されるリフマグ用発電機４４を含むリフマグ付きショベルの駆動系の構成について、説明をする。

図８は、リフマグ付きショベルの駆動系の構成の他の例を示すブロック図である。図８において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太い実線、パイロットラインは破線、及び電気駆動・制御系は細い実線でそれぞれ示されている。なお、上述した構成例（図２）と同様の構成要素については、同一の符号を付して、異なる部分を中心に説明する。

ショベルに搭載されたエンジン１１の駆動軸１１ａは、変速機１３の入力軸に接続される。変速機１３は、一つの入力軸と、二つの出力軸を有している。リフマグ６に電力を供給するための発電部としてのリフマグ用発電機４４の入力軸４４ａは、変速機１３の出力軸の一つに機械的に連結される。変速機１３のもう一つの出力軸には、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が連結される。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続される。また、メインポンプ１４は、図２で示した構成例と同様に、レギュレータ（不図示）が設けられる。該レギュレータは、メインポンプ１４の斜板（傾転角）を調整することによって、メインポンプ１４の吐出流量を制御する。

リフマグ用発電機４４は、エンジン１１の駆動力により交流電力を発電する。リフマグ用発電機４４の電力出力端は、駆動制御部として機能するインバータ４６を介してＤＣバス１１０に電気的に接続される。インバータ４６は、リフマグ用発電機４４が出力する交流電力をリフマグ励磁用の直流電力に変換する整流機能を有する。ＤＣバス１１０には、リフマグ６が電気的に接続される。リフマグ６は、ＤＣバス１１０から電力が供給されることで駆動され、電磁吸着力を発生する。

また、インバータ４６は、制御部３０からの指令に基づき、リフマグ用発電機４４の運転制御を行う。これにより、インバータ４６がリフマグ用発電機４４を発電運転させて得られた電力は、ＤＣバス１１０を介してリフマグ６に供給される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４６Ｂは、リフマグ６とＤＣバス１１０との間に設けられる。ＤＣ−ＤＣコンバータ４６Ｂは、制御部３０からの指令に基づき、リフマグ６の起動時に、ＤＣバス１１０の電圧を所定の電圧まで昇圧し、昇圧した電圧をリフマグ６に供給する。なお、所定の電圧とは、例えば、上述した定格電圧（２００Ｖ）、強励磁時の電圧（２９０Ｖ）、及び励磁開始時の電圧（３２０Ｖ）等である。なお、本例では、ＤＣ−ＣＤコンバータ４６Ｂを設け、ＤＣバス１１０の電圧を昇圧して、リフマグ６に電力供給を行うが、ＤＣバス１１０の電圧を直接、リフマグ６に印加してもよい。即ち、この場合は、リフマグ用発電機４４の出力電圧に応じて、ＤＣバス１１０に所定の電圧（例えば、３２０Ｖ）を発生させることができればよい。

ここで、本例によるリフマグ付きショベルにおいても、図２に示したリフマグ付きショベルと同様の作用・効果を奏する。

即ち、制御部３０がインバータ４６、ＤＣバス１１０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４６Ｂを制御することにより、リフマグ６の起動時（リフマグ吸着用スイッチ３２がオン操作された時）にリフマグ６に印加される電圧を調整するとよい。具体的には、上述した図６のように、リフマグ吸着用スイッチ３２がオン操作されると、最初の２秒間は強励磁時の電圧より高い３２０Ｖをリフマグ６に印加する。また、次の２秒間は、強励磁時の電圧である２９０Ｖをリフマグ６に印加する。そして、その後は、リフマグ６の定格電圧である２００Ｖをリフマグ６に印加するように制御するとよい。これにより、短時間でリフマグ６に定格電流を流すことができ、リフマグ６の電磁吸着力を迅速に増大させることができる。そのため、運転者に操作性の悪さを感じさせることがない。

また、本例においてもインバータ４６として、図３に示すリフマグ用電源回路（整流器とＨブリッジ回路の組み合わせ）を用いてよい。また、リフマグ６の起動時において、スイッチング素子（第１のスイッチング素子４１０ａ及び第４のスイッチング素子４１０ｄ）を継続してオン状態となるように制御するとよい。これにより、上記スイッチング素子に電流が流れている状態を維持することができるので、リフマグ６に印加する電圧を強励磁時の電圧よりも高めるために、リフマグ用発電機４４の出力電圧を高くしても、スイッチング素子の耐電圧性能の問題を回避することができる。

また、メインポンプ１４の出力は、リフマグ６の駆動状況に応じて制御されるとよい。具体的には、リフマグ駆動時においては、リフマグ用発電機４４を優先的に駆動し、レギュレータ１４Ａによりメインポンプ１４の斜板（傾転角）を制御して、吐出流量を抑制することによりメインポンプ１４の出力を低減させるとよい。また、リフマグ６の駆動が停止した後は、メインポンプ１４の斜板（傾転角）を制御して、吐出流量を増加させることにより、メインポンプ１４の出力を増大させるとよい。これにより、大きなエンジンを搭載することなく、リフマグ６の起動時の操作性を向上させることができる。即ち、リフマグ用発電機４４と同様にエンジン１１により駆動されるメインポンプ１４の出力をリフマグ６の駆動状況に応じて増減させることで、リフマグ６の駆動のためにエンジン１１の出力を上げる必要がない。そのため、リフマグ６の起動時に定格電圧よりも十分に高い電圧を印加することによる操作性の向上を大きなエンジンを搭載することなく実現することができる。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

また、本願は、２０１２年１２月２７日に出願した日本国特許出願２０１２−２８６０７０号に基づく優先権を主張するものであり、その日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
２Ａ 旋回用油圧モータ
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ リフティングマグネット（リフマグ）
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ リフマグシリンダ
１０ キャビン
１１ エンジン
１４ メインポンプ
１４Ａ レギュレータ
１７ コントロールバルブ
３０ 制御部
３２ リフマグ吸着用スイッチ
４０ 発電機用油圧ポンプ
４２ 油圧モータ
４４ リフマグ用発電機
４６ インバータ
４６Ｂ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３００ 直流変換部（整流器）
３１０ａ〜３１０ｆ ダイオード
４００ Ｈブリッジ回路部（Ｈブリッジ回路）
４１０ａ〜４１０ｄ 第１〜第４のスイッチング素子
４２０ａ〜４２０ｄ 第１〜第４の転流用ダイオード
４６０ｅ 抵抗素子
５００ 消磁用エネルギー吸収部
５１０ 容量素子

Claims (9)

1. エンジンと、
   該エンジンに連結された油圧ポンプと、
   該油圧ポンプからの圧油により駆動される負荷と、
   エンジンの駆動力に基づいて所定回転数に制御される発電機と、
   該発電機からの電力が供給され、電磁吸着力を発生する電磁石を含むリフティングマグネットと
   該電磁石に印加する電圧を制御する駆動制御部と
   を有し、
   前記駆動制御部は、前記リフティングマグネットを起動するスイッチがオン操作された場合に、前記電磁石に第１の電圧を印加し、その後、前記電磁石に印加する電圧を第１の電圧より低い第２の電圧に切り換えるリフマグ付き作業機械。
2. 請求項１記載のリフマグ付き作業機械であって、
   前記第１の電圧は、定格電圧以上の電圧であり、
   前記駆動制御部は、
   前記オン操作から所定時間で、前記第１の電圧から前記第２の電圧に切り換えるリフマグ付き作業機械。
3. 請求項２記載のリフマグ付き作業機械であって、
   前記発電機は、交流発電機であり、
   前記駆動制御部は、前記発電機から供給された交流電力を直流電力に変換する整流器と、該整流器により変換された直流電力を用いて前記リフティングマグネットに電磁吸着力を発生させるＨブリッジ回路とを含み、
   前記駆動制御部は、
   前記リフティングマグネットの起動時において、前記Ｈブリッジ回路に含まれるスイッチング素子であって、前記リフティングマグネットに電磁吸着力を発生させる通電を行うスイッチング素子を前記所定時間継続してオンにするリフマグ付き作業機械。
4. 請求項１記載のリフマグ付き作業機械であって、
   前記油圧ポンプの出力は前記リフティングマグネットの駆動状況に応じて制御されるリフマグ付き作業機械。
5. 請求項４記載のリフマグ付き作業機械であって、
   前記リフティングマグネットの起動時において、前記油圧ポンプが供える斜板により流量を制御し、前記油圧ポンプの出力を低減させるリフマグ付き作業機械。
6. 請求項５記載のリフマグ付き作業機械であって、
   前記リフティングマグネットが停止した後において、前記斜板により流量を制御し、前記油圧ポンプの出力を増大させるリフマグ付き作業機械。
7. 請求項１記載のリフマグ付き作業機械であって、
   前記エンジンに連結された発電機用油圧ポンプと、
   前記発電機用油圧ポンプからの圧油により回転する油圧モータと、を有し、
   前記発電機は、前記油圧モータと連結され、
   前記油圧モータの回転数は、前記発電機用油圧ポンプの回転数より高くなるように設定されているリフマグ付き作業機械。
8. 請求項７記載のリフマグ付き作業機械であって、
   前記油圧モータの回転数は、前記エンジンの回転数の１．１倍以上となるように設定されているリフマグ付き作業機械。
9. 請求項７記載のリフマグ付き作業機械であって、
   前記油圧モータの回転数は、前記エンジンの回転数に対応して変化するリフマグ付き作業機械。

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